หม่อมเจ้ามารศีสุขุมพันธุ์เริ่มประชวรด้วยพระโรคอัมพาตครึ่งซีกราวปี พ.ศ. 2547[19] ก่อนจะถึงชีพิตักษัยด้วยพระอาการสงบ ในตำหนัก Vellara เมือง Annot ทางตอนใต้ของประเทศฝรั่งเศส เมื่อวันที่ 8 กรกฎาคม พ.ศ. 2556 สิริชันษา 81 ปี[20] ในการนี้สมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ โปรดให้ผู้แทนพระองค์เชิญช่อดอกไม้ส่วนพระองค์มาพระราชทานยังพิธีศพที่พระประยูรญาติได้จัดขึ้น จากนั้นได้ถวายเพลิงศพอย่างเรียบง่าย ณ สุสาน Crématorium de Nice-Côte d’Azur แห่งเมือง Colomars ใกล้กับเมืองนิส ประเทศฝรั่งเศสในวันที่ 11 กรกฎาคมของปีเดียวกัน [21] ก่อนจะอัญเชิญอัฐิและอังคารนิวัติสู่ประเทศไทย โดยพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชพระราชทานพระบรมราชานุญาตให้อัญเชิญอัฐิและอังคารส่วนหนึ่งไปบรรจุไว้ที่อนุสาวรีย์สุขุมาลย์นฤมิตร ในสุสานหลวง วัดราชบพิธสถิตมหาสีมารามราชวรวิหาร [22] และอีกส่วนหนึ่งพระประยูรญาติได้อัญเชิญไปลอย ณ ทะเลจังหวัดประจวบคีรีขันธ์ [23] อันเป็นจังหวัดซึ่งบ้านบ่อจืด พระตำหนักส่วนพระองค์ในอดีตของ พระเจ้าวรวงศ์เธอ กรมหมื่นนครสวรรค์ศักดิพินิต ตั้งอยู่ [24] ซึ่งท่านหญิงเคยประทับและทรงใช้ชีวิตที่นั่นเมื่อครั้งยังทรงพระเยาว์ ทรงผูกพันและถือว่าสถานที่ดังกล่าวเปรียบเหมือนบ้านหลังสุดท้ายของท่านในประเทศไทยก่อนจะทรงย้ายไปประทับยังประเทศฝรั่งเศสถาวรตลอดชนม์ชีพ

ทั้งนี้ หม่อมเจ้ามารศีสุขุมพันธุ์นับเป็นหม่อมเจ้าเพียงองค์เดียวของราชสกุลบริพัตร เนื่องจากพระเจ้าวรวงศ์เธอ กรมหมื่นนครสวรรค์ศักดิพินิต พระบิดาของท่านหญิงเป็นพระโอรสพระองค์เดียวในสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้าบริพัตรสุขุมพันธุ์ กรมพระนครสวรรค์วรพินิต ที่ดำรงพระอิสริยยศ พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้า ซึ่งในพระบรมราชโองการสถาปนาพระอิสริยยศดังกล่าว ได้ระบุไว้ว่า หากมีพระบุตรให้พระบุตรเป็นหม่อมเจ้า [25]